JP2020155572A - Power module - Google Patents
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Abstract
Description
実施形態は、パワーモジュールに関する。 The embodiment relates to a power module.
従来より、電流を制御するパワーモジュールとして、筐体内に基板を固定し、この基板に電力用半導体素子を搭載し、この電力用半導体素子の電極を金属板端子を用いて筐体外部に引き出し、筐体内にゲル材を充填したパワーモジュールが開発されている。このようなパワーモジュールにおいては、通電／遮断を繰り返した際に生じる熱負荷に対して、高い信頼性が要求される。 Conventionally, as a power module for controlling current, a substrate is fixed in a housing, a power semiconductor element is mounted on the substrate, and an electrode of the power semiconductor element is pulled out to the outside of the housing by using a metal plate terminal. A power module in which a gel material is filled in a housing has been developed. In such a power module, high reliability is required for the heat load generated when energization / shutoff is repeated.
実施形態の目的は、信頼性が高いパワーモジュールを提供することである。 An object of the embodiment is to provide a highly reliable power module.
実施形態に係るパワーモジュールは、外面に露出した外部端子を有する筐体と、前記筐体内に設けられた基板と、前記基板に搭載された半導体素子と、前記半導体素子に接続されたワイヤと、前記筐体内に設けられ、前記外部端子を前記半導体素子の電極に接続する金属板端子と、前記筐体内に設けられ、前記金属板端子の一部、前記基板、前記半導体素子及び前記ワイヤを覆うゲル材と、を備える。前記金属板端子は、前記ワイヤと前記筐体の天板との間であって、前記ゲル材の内部に配置された第１部分と、前記第１部分に対して屈曲し、前記半導体素子の前記電極に接続された第２部分と、前記第１部分の端部から前記基板に向かって延出した第３部分と、を有する。 The power module according to the embodiment includes a housing having an external terminal exposed on an outer surface, a substrate provided in the housing, a semiconductor element mounted on the substrate, and a wire connected to the semiconductor element. A metal plate terminal provided in the housing and connecting the external terminal to the electrode of the semiconductor element, and a part of the metal plate terminal provided in the housing, the substrate, the semiconductor element, and the wire are covered. It is provided with a gel material. The metal plate terminal is between the wire and the top plate of the housing, and is bent with respect to a first portion arranged inside the gel material and the first portion of the semiconductor element. It has a second portion connected to the electrode and a third portion extending from an end portion of the first portion toward the substrate.
＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るパワーモジュールを示す斜視図である。
図２は、本実施形態に係るパワーモジュールを示す斜視断面図である。
図３は、本実施形態に係るパワーモジュールを示す断面図である。
なお、各図は模式的なものであり、構成要素は適宜強調又は省略されている。後述する他の図についても同様である。例えば、図１及び図２においては、図示の便宜上、筐体の天板を省略している。
<First Embodiment>
Hereinafter, the first embodiment will be described.
FIG. 1 is a perspective view showing a power module according to the present embodiment.
FIG. 2 is a perspective sectional view showing a power module according to the present embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a power module according to the present embodiment.
It should be noted that each figure is schematic, and the components are emphasized or omitted as appropriate. The same applies to other figures described later. For example, in FIGS. 1 and 2, the top plate of the housing is omitted for convenience of illustration.
図１〜図３に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール１においては、筐体１０が設けられている。筐体１０の形状は、例えば、略直方体状であり、内部は中空である。筐体１０においては、底板１１、側板１２及び天板１３が設けられている。底板１１及び天板１３の形状は、例えば、矩形の平板状である。側板１２の形状は、例えば、四角柱の筒状である。 As shown in FIGS. 1 to 3, the power module 1 according to the present embodiment is provided with a housing 10. The shape of the housing 10 is, for example, a substantially rectangular parallelepiped shape, and the inside is hollow. In the housing 10, a bottom plate 11, a side plate 12, and a top plate 13 are provided. The shapes of the bottom plate 11 and the top plate 13 are, for example, rectangular flat plates. The shape of the side plate 12 is, for example, a tubular shape of a quadrangular prism.
天板１３には複数の外部端子１４が設けられている。外部端子１４は、筐体１０の外面に露出している。天板１３及び外部端子１４を貫通するように、貫通孔１５が形成されている。以下、底板１１から天板１３に向かう方向を「上」といい、天板１３から底板１１に向かう方向を「下」というが、この表現は便宜的なものであり、重力の方向とは無関係である。「上」及び「下」を総称して「垂直方向」ともいう。 A plurality of external terminals 14 are provided on the top plate 13. The external terminal 14 is exposed on the outer surface of the housing 10. A through hole 15 is formed so as to penetrate the top plate 13 and the external terminal 14. Hereinafter, the direction from the bottom plate 11 to the top plate 13 is referred to as "up", and the direction from the top plate 13 to the bottom plate 11 is referred to as "down", but this expression is convenient and has nothing to do with the direction of gravity. Is. "Upper" and "lower" are also collectively referred to as "vertical direction".
底板１１上には、例えば絶縁性の基板２０が設けられている。基板２０の上面には、複数の半導体素子２１が搭載されている。半導体素子２１は、例えばパワー半導体素子であり、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、バイポーラトランジスタ及びダイオード等である。半導体素子２１を形成する主要な半導体材料は、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）又はシリコン（Ｓｉ）である。各半導体素子２１には、例えば、２つ又は３つの電極２２が設けられている。異なる半導体素子２１の電極２２間には、ワイヤ２３が接続されている。ワイヤ２３は、半導体素子２１の上方でループを形成している。 For example, an insulating substrate 20 is provided on the bottom plate 11. A plurality of semiconductor elements 21 are mounted on the upper surface of the substrate 20. The semiconductor element 21 is, for example, a power semiconductor element, for example, a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), an IGBT (insulated gate bipolar transistor), or a bipolar transistor. And diodes and the like. The main semiconductor material forming the semiconductor element 21 is, for example, silicon carbide (SiC) or silicon (Si). Each semiconductor element 21 is provided with, for example, two or three electrodes 22. A wire 23 is connected between the electrodes 22 of different semiconductor elements 21. The wire 23 forms a loop above the semiconductor element 21.
筐体１０内には、例えば３枚の金属板端子３０が設けられている。なお、図１〜図３には、１枚の金属板端子３０のみを図示している。金属板端子３０は金属を含み、例えば、銅（Ｃｕ）からなる。金属板端子３０は、例えば、１枚の金属板を折り曲げ加工することにより形成されている。 For example, three metal plate terminals 30 are provided in the housing 10. It should be noted that FIGS. 1 to 3 show only one metal plate terminal 30. The metal plate terminal 30 contains metal and is made of, for example, copper (Cu). The metal plate terminal 30 is formed, for example, by bending one metal plate.
金属板端子３０においては、平面部分３１〜３７が一体的に設けられている。平面部分３１〜３５は、この順に連続して配列されている。平面部分３１は、筐体１０の側板１２と天板１３の間に位置し、貫通孔１５に挿入されたボルト１６を介して、外部端子１４に接続されている。なお、本明細書において、「接続」とは電気的な接続を意味する。 In the metal plate terminal 30, flat surfaces 31 to 37 are integrally provided. The plane portions 31 to 35 are continuously arranged in this order. The flat surface portion 31 is located between the side plate 12 and the top plate 13 of the housing 10, and is connected to the external terminal 14 via a bolt 16 inserted into the through hole 15. In addition, in this specification, "connection" means an electrical connection.
平面部分３２は、平面部分３１における筐体１０の内部側の端縁から屈曲して下方に延びている。平面部分３３は、平面部分３２の下端縁から屈曲して基板２０の上面に対して平行な方向（以下、「水平方向」という）に延びている。平面部分３４は、平面部分３３における平面部分３２との境界とは反対側の端縁から下方に延びている。平面部分３５は、平面部分３４の下端縁から屈曲して水平方向に延びており、半導体素子２１の電極２２に接続されている。このようにして、金属板端子３０は、外部端子１４を半導体素子２１の電極２２に接続する。 The flat surface portion 32 bends from the inner edge of the housing 10 in the flat surface portion 31 and extends downward. The flat surface portion 33 is bent from the lower end edge of the flat surface portion 32 and extends in a direction parallel to the upper surface of the substrate 20 (hereinafter, referred to as “horizontal direction”). The flat surface portion 34 extends downward from the edge of the flat surface portion 33 opposite to the boundary with the flat surface portion 32. The flat surface portion 35 bends from the lower end edge of the flat surface portion 34 and extends in the horizontal direction, and is connected to the electrode 22 of the semiconductor element 21. In this way, the metal plate terminal 30 connects the external terminal 14 to the electrode 22 of the semiconductor element 21.
金属板端子３０の平面部分３６は、平面部分３３における平面部分３２と連続した端縁及び平面部分３４と連続した端縁を除く２つの端縁のうちの一方から屈曲して、斜め下方に延びている。平面部分３６の先端は自由端となっている。同様に、平面部分３７は、上述の２つの端縁のうちの他方から屈曲して、斜め下方に延びている。平面部分３７の先端は自由端となっている。平面部分３６及び３７は、例えば、下方に向かうほど相互に離隔するように傾斜している。 The flat surface portion 36 of the metal plate terminal 30 is bent from one of two end edges excluding the end edge continuous with the flat surface portion 32 and the end edge continuous with the flat surface portion 34 in the flat surface portion 33, and extends diagonally downward. ing. The tip of the flat surface portion 36 is a free end. Similarly, the planar portion 37 bends from the other of the two edge edges described above and extends diagonally downward. The tip of the flat surface portion 37 is a free end. The plane portions 36 and 37 are inclined so as to be separated from each other toward the lower side, for example.
平面部分３６、３３、３７は、この順に連続して配列されている。このため、水平方向に拡がる平面部分３３から見て、上方に延びる平面部分３２、斜め下方に延びる平面部分３６、下方に延びる平面部分３４、及び、斜め下方に延びる平面部分３７は、相互に直交する４方向に位置している。 The plane portions 36, 33, and 37 are continuously arranged in this order. Therefore, when viewed from the flat portion 33 extending in the horizontal direction, the flat portion 32 extending upward, the flat portion 36 extending diagonally downward, the flat portion 34 extending downward, and the flat portion 37 extending diagonally downward are orthogonal to each other. It is located in four directions.
平面部分３３の直下域、すなわち、基板２０と平面部分３３との間には、ワイヤ２３が配置されている。換言すれば、平面部分３３は、ワイヤ２３と天板１３との間に配置されている。 The wire 23 is arranged in the region directly below the flat surface portion 33, that is, between the substrate 20 and the flat surface portion 33. In other words, the flat surface portion 33 is arranged between the wire 23 and the top plate 13.
筐体１０内には、ゲル材４０が封入されている。ゲル材４０は、基板２０、半導体素子２１、ワイヤ２３を覆っている。また、ゲル材４０は、金属板端子３０の平面部分３２の下部、及び、平面部分３３〜３７のそれぞれの全体を覆っている。ゲル材４０は絶縁性であり、その弾性率は金属の弾性率よりも低い。ゲル材４０は、例えば、シリコーンゲルからなる。ゲル材４０により、熱応力によるワイヤ２３の破断を抑制することができる。また、ゲル材４０により、金属板端子３０間、ワイヤ２３間、及び、金属板端子３０とワイヤ２３との間等の絶縁性を確保できる。更に、ゲル材４０により、基板２０、半導体素子２１及びワイヤ２３等が、外部から筐体１０内に侵入した酸素、水分、微粒子等から保護される。 The gel material 40 is enclosed in the housing 10. The gel material 40 covers the substrate 20, the semiconductor element 21, and the wire 23. Further, the gel material 40 covers the lower portion of the flat surface portion 32 of the metal plate terminal 30 and the entire flat surface portions 33 to 37. The gel material 40 is insulating, and its elastic modulus is lower than that of the metal. The gel material 40 is made of, for example, a silicone gel. The gel material 40 can suppress breakage of the wire 23 due to thermal stress. Further, the gel material 40 can ensure the insulating property between the metal plate terminals 30 and the wires 23, and between the metal plate terminals 30 and the wires 23. Further, the gel material 40 protects the substrate 20, the semiconductor element 21, the wire 23, and the like from oxygen, moisture, fine particles, and the like that have entered the housing 10 from the outside.
ゲル材４０は、筐体１０内の全体には充填されておらず、筐体１０内におけるゲル材４０上には、空気層４１が存在する。また、筐体１０は完全な気密状態にはなく、空気層４１の空気は、筐体１０の外部に対して流出入可能である。但し、ゲル材４０は変形容易ではあるが一体化した固体であり、筐体１０の隙間から外部に漏洩することはない。 The gel material 40 is not completely filled in the housing 10, and an air layer 41 is present on the gel material 40 in the housing 10. Further, the housing 10 is not in a completely airtight state, and the air in the air layer 41 can flow in and out of the housing 10. However, although the gel material 40 is easily deformed, it is an integrated solid and does not leak to the outside through the gap of the housing 10.
次に、本実施形態に係るパワーモジュールの動作について説明する。
図４（ａ）は、比較例に係るパワーモジュールの室温状態を示す断面図であり、（ｂ）は比較例に係るパワーモジュールの高温状態を示す断面図であり、（ｃ）は本実施形態に係るパワーモジュールの高温状態を示す断面図である。
Next, the operation of the power module according to this embodiment will be described.
FIG. 4A is a cross-sectional view showing a room temperature state of the power module according to the comparative example, FIG. 4B is a cross-sectional view showing the high temperature state of the power module according to the comparative example, and FIG. 4C is the present embodiment. It is sectional drawing which shows the high temperature state of the power module which concerns on.
パワーモジュール１に電力が供給され、半導体素子２１が導通すると、半導体素子２１が発熱し、パワーモジュール１全体の温度が上昇する。これに伴い、パワーモジュール１の各部材が熱膨張するが、その熱膨張率は部材間によって異なる。ゲル材４０の熱膨張率は筐体１０の熱膨張率及び金属板端子３０の熱膨張率よりも大きい。このため、パワーモジュール１の温度が上昇すると、筐体１０の容積の増加率よりもゲル材４０の体積の増加率が大きくなり、ゲル材４０の上面が上昇する。また、パワーモジュール１の通電が停止すると、パワーモジュール１の温度が高温から室温に下がる。これにより、ゲル材４０の体積が減少し、ゲル材４０の上面が降下する。 When electric power is supplied to the power module 1 and the semiconductor element 21 conducts, the semiconductor element 21 generates heat and the temperature of the entire power module 1 rises. Along with this, each member of the power module 1 thermally expands, but the coefficient of thermal expansion differs depending on the members. The coefficient of thermal expansion of the gel material 40 is larger than the coefficient of thermal expansion of the housing 10 and the coefficient of thermal expansion of the metal plate terminal 30. Therefore, when the temperature of the power module 1 rises, the volume increase rate of the gel material 40 becomes larger than the volume increase rate of the housing 10, and the upper surface of the gel material 40 rises. Further, when the energization of the power module 1 is stopped, the temperature of the power module 1 drops from a high temperature to a room temperature. As a result, the volume of the gel material 40 is reduced, and the upper surface of the gel material 40 is lowered.
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、比較例に係るパワーモジュール１０１においては、金属板端子３０に平面部分３６及び３７が設けられていない。このため、パワーモジュール１０１の温度が上昇すると、ゲル材４０が金属板端子３０の平面部分３３の端部３３ａと接触しながら、上方に移動する。このとき、平面部分３３の端部３３ａからゲル材４０に大きな剪断力が印加される。また、パワーモジュール１０１の温度が低下したときは、ゲル材４０が金属板端子３０の平面部分３３の端部３３ａと接触しながら、下方に移動する。 As shown in FIGS. 4A and 4B, in the power module 101 according to the comparative example, the metal plate terminals 30 are not provided with the flat portions 36 and 37. Therefore, when the temperature of the power module 101 rises, the gel material 40 moves upward while contacting the end portion 33a of the flat surface portion 33 of the metal plate terminal 30. At this time, a large shearing force is applied to the gel material 40 from the end 33a of the flat surface portion 33. When the temperature of the power module 101 drops, the gel material 40 moves downward while contacting the end 33a of the flat surface portion 33 of the metal plate terminal 30.
このようにして、パワーモジュール１０１の動作に伴い、パワーモジュール１０１が加熱及び冷却を繰り返すと、ゲル材４０に剪断力が繰り返し印加されて、ゲル材４０に亀裂が発生する。この結果、ゲル材４０によるワイヤ２３のサポート効果、金属板端子３０及びワイヤ２３の絶縁効果、及び外部環境からの保護効果が減少し、金属板端子３０間で絶縁破壊が発生する可能性が増加し、パワーモジュール１０１の信頼性が低下してしまう。 In this way, when the power module 101 repeats heating and cooling with the operation of the power module 101, a shearing force is repeatedly applied to the gel material 40, and cracks occur in the gel material 40. As a result, the support effect of the wire 23 by the gel material 40, the insulation effect of the metal plate terminal 30 and the wire 23, and the protection effect from the external environment are reduced, and the possibility of dielectric breakdown occurring between the metal plate terminals 30 is increased. However, the reliability of the power module 101 is lowered.
これに対して、図４（ｃ）に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール１においては、金属板端子３０に平面部分３６及び３７が設けられている。このため、パワーモジュール１の温度が変化したときに、ゲル材４０は、平面部分３３の端部３３ａではなく、平面部分３６の端部３６ａ及び平面部分３７の端部３７ａと接触しながら、上下に移動する。加熱及び冷却時におけるゲル材４０の移動量は、垂直方向における位置に依存し、下方、すなわち、底板１１から近い位置にあるゲル材４０ほど、移動量が小さい。そして、端部３６ａ及び３７ａは端部３３ａよりも下方に位置している。このため、パワーモジュール１において端部３６ａ及び３７ａに接触しながら移動するゲル材４０の移動量は、パワーモジュール１０１において端部３３ａに接触しながら移動するゲル材４０の移動量よりも小さい。 On the other hand, as shown in FIG. 4C, in the power module 1 according to the present embodiment, the metal plate terminals 30 are provided with flat portions 36 and 37. Therefore, when the temperature of the power module 1 changes, the gel material 40 moves up and down while contacting the end portion 36a of the flat surface portion 36 and the end portion 37a of the flat surface portion 37 instead of the end portion 33a of the flat surface portion 33. Move to. The amount of movement of the gel material 40 during heating and cooling depends on the position in the vertical direction, and the amount of movement of the gel material 40 below, that is, closer to the bottom plate 11, is smaller. The ends 36a and 37a are located below the ends 33a. Therefore, the amount of movement of the gel material 40 that moves while contacting the ends 36a and 37a in the power module 1 is smaller than the amount of movement of the gel material 40 that moves while contacting the ends 33a in the power module 101.
したがって、本実施形態においては、比較例と比較して、金属板端子３０によってゲル材４０に印加される剪断力が小さい。このため、パワーモジュール１においては、ゲル材４０における亀裂の発生を抑制することができる。この結果、本実施形態に係るパワーモジュール１は、信頼性が高い。 Therefore, in the present embodiment, the shearing force applied to the gel material 40 by the metal plate terminal 30 is smaller than that in the comparative example. Therefore, in the power module 1, the occurrence of cracks in the gel material 40 can be suppressed. As a result, the power module 1 according to the present embodiment is highly reliable.
また、本実施形態に係るパワーモジュール１においては、平面部分３３を一定の高さに配置することにより、基板２０と平面部分３３との間に、ワイヤ２３のループを形成する空間を確保することができる。このため、ワイヤ２３が平面部分３３に接触して短絡することを防止できる。 Further, in the power module 1 according to the present embodiment, by arranging the flat surface portion 33 at a constant height, a space for forming a loop of the wire 23 is secured between the substrate 20 and the flat surface portion 33. Can be done. Therefore, it is possible to prevent the wire 23 from coming into contact with the flat surface portion 33 and causing a short circuit.
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する
図５は、本実施形態に係るパワーモジュールを示す斜視図である。
図６は、本実施形態に係るパワーモジュールを示す斜視断面図である。
<Second embodiment>
Next, FIG. 5 for explaining the second embodiment is a perspective view showing a power module according to the present embodiment.
FIG. 6 is a perspective sectional view showing a power module according to the present embodiment.
図５及び図６に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール２は、第１の実施形態に係るパワーモジュール１（図１〜図３参照）と比較して、金属板端子３０に平面部分３６及び３７が設けられてない点と、金属板端子３０の平面部分３３上に低剛性板５１が設けられている点が異なっている。 As shown in FIGS. 5 and 6, the power module 2 according to the present embodiment has a flat portion on the metal plate terminal 30 as compared with the power module 1 according to the first embodiment (see FIGS. 1 to 3). The difference is that 36 and 37 are not provided and the low-rigidity plate 51 is provided on the flat surface portion 33 of the metal plate terminal 30.
低剛性板５１の剛性は、金属板端子３０の平面部分３３の剛性よりも低い。例えば、低剛性板５１の材料のヤング率は、金属板端子３０の材料のヤング率よりも低い。低剛性板５１は、例えば、樹脂材料からなり、例えば、ＰＥＴ（PolyEthylene Terephthalate：ポリエチレンテレフタレート）からなる。 The rigidity of the low-rigidity plate 51 is lower than the rigidity of the flat surface portion 33 of the metal plate terminal 30. For example, the Young's modulus of the material of the low-rigidity plate 51 is lower than the Young's modulus of the material of the metal plate terminal 30. The low-rigidity plate 51 is made of, for example, a resin material, for example, PET (PolyEthylene Terephthalate).
低剛性板５１は、例えば、接着又はボルト締結等の手段により、金属板端子３０の平面部分３３の上面に貼り合わされている。上方から見て、低剛性板５１は平面部分３３よりも大きく、低剛性板５１の端部５１ａは平面部分３３の端部３３ａからはみ出している。 The low-rigidity plate 51 is attached to the upper surface of the flat surface portion 33 of the metal plate terminal 30 by means such as adhesion or bolt fastening. When viewed from above, the low-rigidity plate 51 is larger than the flat surface portion 33, and the end portion 51a of the low-rigidity plate 51 protrudes from the end portion 33a of the flat surface portion 33.
次に、本実施形態に係るパワーモジュールの動作について説明する。
図７（ａ）は本実施形態に係るパワーモジュールの室温状態を示す断面図であり、（ｂ）は本実施形態に係るパワーモジュールの高温状態を示す断面図である。
Next, the operation of the power module according to this embodiment will be described.
FIG. 7A is a cross-sectional view showing a room temperature state of the power module according to the present embodiment, and FIG. 7B is a cross-sectional view showing a high temperature state of the power module according to the present embodiment.
上述の如く、パワーモジュール２においては、上方から見て、低剛性板５１の端部５１ａが平面部分３３の端部３３ａからはみ出している。このため、熱サイクルによってゲル材４０が上下に移動する際には、ゲル材４０は平面部分３３の端部３３ａではなく、低剛性板５１の端部５１ａを回り込むように移動する。 As described above, in the power module 2, the end portion 51a of the low-rigidity plate 51 protrudes from the end portion 33a of the flat surface portion 33 when viewed from above. Therefore, when the gel material 40 moves up and down due to the thermal cycle, the gel material 40 moves so as to go around the end portion 51a of the low-rigidity plate 51 instead of the end portion 33a of the flat surface portion 33.
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、低剛性板５１は金属板端子３０の平面部分３３よりも剛性が低いため、ゲル材４０の移動にある程度追従して変形する。これにより、低剛性板５１の端部５１ａがゲル材４０に印加する剪断力を緩和することができる。この結果、ゲル材４０における亀裂の発生を抑制できる。これにより、本実施形態に係るパワーモジュール２は、信頼性が高い。 As shown in FIGS. 7A and 7B, since the low-rigidity plate 51 has lower rigidity than the flat surface portion 33 of the metal plate terminal 30, it deforms to some extent following the movement of the gel material 40. As a result, the shearing force applied to the gel material 40 by the end portion 51a of the low-rigidity plate 51 can be relaxed. As a result, the occurrence of cracks in the gel material 40 can be suppressed. As a result, the power module 2 according to the present embodiment is highly reliable.
なお、低剛性板５１の材料は金属板端子３０の材料と同じとし、低剛性板５１の厚さを金属板端子３０の平面部分３３の厚さよりも薄くしてもよい。これによっても、低剛性板５１の剛性を平面部分３３の剛性よりも低くし、上述の効果を得ることができる。また、低剛性板５１は平面部分３３の下面に貼り合わせてもよい。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、第１の実施形態と同様である。
The material of the low-rigidity plate 51 may be the same as that of the metal plate terminal 30, and the thickness of the low-rigidity plate 51 may be thinner than the thickness of the flat surface portion 33 of the metal plate terminal 30. This also makes the rigidity of the low-rigidity plate 51 lower than the rigidity of the flat surface portion 33, and the above-mentioned effect can be obtained. Further, the low-rigidity plate 51 may be attached to the lower surface of the flat surface portion 33.
The configurations, operations, and effects other than the above in the present embodiment are the same as those in the first embodiment.
＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態について説明する。
図８は、本実施形態に係るパワーモジュールを示す斜視分解図である。
図９は、本実施形態に係るパワーモジュールを示す斜視断面図である。
<Third embodiment>
Next, a third embodiment will be described.
FIG. 8 is a perspective exploded view showing the power module according to the present embodiment.
FIG. 9 is a perspective sectional view showing a power module according to the present embodiment.
図８及び図９に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール３は、第１の実施形態に係るパワーモジュール１（図１〜図３参照）と比較して、金属板端子３０に平面部分３６及び３７が設けられてない点と、金属板端子３０の平面部分３３及びその直下域を覆うように、仕切板６１が設けられている点が異なっている。 As shown in FIGS. 8 and 9, the power module 3 according to the present embodiment has a flat portion on the metal plate terminal 30 as compared with the power module 1 according to the first embodiment (see FIGS. 1 to 3). The difference is that 36 and 37 are not provided and the partition plate 61 is provided so as to cover the flat portion 33 of the metal plate terminal 30 and the region immediately below the flat portion 33.
仕切板６１は絶縁材料からなることが好ましく、例えば、樹脂材料からなる。仕切板６１の形状は、１枚の短冊状の板がコ字状に曲げられた形状である。より具体的には、仕切板６１には、水平部分６２と、水平部分６２の両側から下方に延出した垂直部分６３及び６４が一体的に設けられている。 The partition plate 61 is preferably made of an insulating material, for example, a resin material. The shape of the partition plate 61 is a shape in which one strip-shaped plate is bent in a U shape. More specifically, the partition plate 61 is integrally provided with a horizontal portion 62 and vertical portions 63 and 64 extending downward from both sides of the horizontal portion 62.
水平部分６２は、金属板端子３０の平面部分３３の上面に、例えば、接着剤、粘着シート又はボルト締結等の固定手段によって貼り合わされている。上方から見て、水平部分６２の形状は平面部分３３の形状と略同じであるか、一回り大きい。垂直部分６３及び６４は、水平部分６２から平面部分３３の両側の端部３３ａを覆うように屈曲している。垂直部分６３及び６４の下端は、例えば、基板２０には到達していない。金属板端子３０の平面部分３３及び３４、仕切板６１の垂直部分６３及び６４、並びに、筐体１０の側板１２の一部により、平面部分３３と基板２０との間の空間６５が周囲から区画される。 The horizontal portion 62 is attached to the upper surface of the flat portion 33 of the metal plate terminal 30 by a fixing means such as an adhesive, an adhesive sheet, or bolt fastening. When viewed from above, the shape of the horizontal portion 62 is substantially the same as the shape of the flat portion 33, or is slightly larger. The vertical portions 63 and 64 are bent so as to cover both end portions 33a of the flat portion 33 from the horizontal portion 62. The lower ends of the vertical portions 63 and 64 do not reach, for example, the substrate 20. The flat portions 33 and 34 of the metal plate terminal 30, the vertical portions 63 and 64 of the partition plate 61, and a part of the side plate 12 of the housing 10 partition the space 65 between the flat portion 33 and the substrate 20 from the surroundings. Will be done.
次に、本実施形態に係るパワーモジュールの動作及び効果について説明する。
図１０は、本実施形態に係るパワーモジュールの動作を示す断面図である。
図１０に示すように、本実施形態においては、金属板端子３０の平面部分３３及び３４、仕切板６１の垂直部分６３及び６４、筐体１０の側板１２の一部により、空間６５が区画されている。このため、ゲル材４０における空間６５の内部に配置された部分４０ａと空間６５の外部に配置された部分４０ｂとが実質的に切り離され、熱サイクルを受けたときに、別々に移動する。
Next, the operation and effect of the power module according to this embodiment will be described.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the operation of the power module according to the present embodiment.
As shown in FIG. 10, in the present embodiment, the space 65 is partitioned by the flat portions 33 and 34 of the metal plate terminal 30, the vertical portions 63 and 64 of the partition plate 61, and a part of the side plate 12 of the housing 10. ing. Therefore, the portion 40a arranged inside the space 65 and the portion 40b arranged outside the space 65 in the gel material 40 are substantially separated and move separately when subjected to a heat cycle.
すなわち、パワーモジュール３が加熱されると、ゲル材４０が膨張するが、ゲル材４０における空間６５内に配置された部分４０ａは、平面部分３３及び３４、垂直部分６３及び６４、並びに、側板１２により、上方への移動を阻止される。一方、ゲル材４０における空間６５外に配置された部分４０ｂは、仕切板６１の垂直部分６３及び６４の表面に沿って上方に移動する。このとき、垂直部分６３及び６４は部分４０ｂの移動経路に実質的に介在していないため、垂直部分６３及び６４はゲル材４０の部分４０ｂに対して剪断力を殆ど印加しない。このため、ゲル材４０における亀裂の発生を抑制できる。 That is, when the power module 3 is heated, the gel material 40 expands, but the portions 40a arranged in the space 65 in the gel material 40 include the flat portions 33 and 34, the vertical portions 63 and 64, and the side plates 12. Prevents upward movement. On the other hand, the portion 40b arranged outside the space 65 in the gel material 40 moves upward along the surfaces of the vertical portions 63 and 64 of the partition plate 61. At this time, since the vertical portions 63 and 64 do not substantially intervene in the movement path of the portion 40b, the vertical portions 63 and 64 hardly apply a shearing force to the portion 40b of the gel material 40. Therefore, the occurrence of cracks in the gel material 40 can be suppressed.
また、仕切板６１が絶縁性であるため、半導体素子２１の電極２２及びワイヤ２３に接触しても、短絡することがない。 Further, since the partition plate 61 is insulating, even if it comes into contact with the electrode 22 and the wire 23 of the semiconductor element 21, there is no short circuit.
なお、仕切板６１の水平部分６２は、金属板端子３０の平面部分３３の下面に貼り付けられていてもよい。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、第１の実施形態と同様である。
The horizontal portion 62 of the partition plate 61 may be attached to the lower surface of the flat portion 33 of the metal plate terminal 30.
The configurations, operations, and effects other than the above in the present embodiment are the same as those in the first embodiment.
＜第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態について説明する。
図１１は、本実施形態に係るパワーモジュールを示す斜視分解図である。
図１２は、本実施形態に係るパワーモジュールを示す斜視断面図である。
<Fourth Embodiment>
Next, a fourth embodiment will be described.
FIG. 11 is a perspective exploded view showing the power module according to the present embodiment.
FIG. 12 is a perspective sectional view showing a power module according to the present embodiment.
図１１及び図１２に示すように、本実施形態に係るパワーモジュール４は、第３の実施形態に係るパワーモジュール３（図８〜図１０参照）と比較して、仕切板６１の替わりに仕切板６６が設けられている点が異なっている。 As shown in FIGS. 11 and 12, the power module 4 according to the present embodiment has a partition instead of the partition plate 61 as compared with the power module 3 according to the third embodiment (see FIGS. 8 to 10). The difference is that the plate 66 is provided.
仕切板６６は、仕切板６１と同様に絶縁材料からなることが好ましく、例えば、樹脂材料からなる。また、仕切板６６の形状も、１枚の短冊状の板がコ字状に曲げ加工された形状であるが、仕切板６１とは屈曲の方向が異なっている。仕切板６６においては、垂直部分６７、６８及び６９が一体的に設けられている。 The partition plate 66 is preferably made of an insulating material like the partition plate 61, and is made of, for example, a resin material. Further, the shape of the partition plate 66 is also a shape in which one strip-shaped plate is bent in a U shape, but the bending direction is different from that of the partition plate 61. In the partition plate 66, vertical portions 67, 68 and 69 are integrally provided.
仕切板６６の垂直部分６７は、金属板端子３０の平面部分３４における平面部分３３の反対側の表面に、例えば、接着剤、粘着シート又はボルト締結等の固定手段によって貼り合わされている。垂直部分６７の下端は、例えば、基板２０には到達していない。垂直部分６８及び６９は、垂直部分６７の水平方向の両端部から平面部分３２に向かう方向に屈曲している。金属板端子３０の平面部分３３及び３４、仕切板６６の垂直部分６８及び６９、筐体１０の側板１２の一部により、金属板端子３０の平面部分３３の直下域に相当する空間、すなわち、平面部分３３と基板２０との間の空間６５が、周囲から区画される。 The vertical portion 67 of the partition plate 66 is attached to the surface of the flat surface portion 34 of the metal plate terminal 30 on the opposite side of the flat surface portion 33 by, for example, an adhesive, an adhesive sheet, or a fixing means such as bolt fastening. The lower end of the vertical portion 67 does not reach, for example, the substrate 20. The vertical portions 68 and 69 are bent in the direction from both ends of the vertical portion 67 in the horizontal direction toward the flat portion 32. The space corresponding to the area directly below the flat portion 33 of the metal plate terminal 30, that is, due to the flat portions 33 and 34 of the metal plate terminal 30, the vertical portions 68 and 69 of the partition plate 66, and a part of the side plate 12 of the housing 10. The space 65 between the flat surface portion 33 and the substrate 20 is partitioned from the periphery.
なお、仕切板６６の垂直部分６７は、金属板端子３０の平面部分３４における平面部分３３側の表面に貼り合わされていてもよい。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、第３の実施形態と同様である。
The vertical portion 67 of the partition plate 66 may be attached to the surface of the flat surface portion 34 of the metal plate terminal 30 on the flat surface portion 33 side.
The configurations, operations, and effects other than the above in the present embodiment are the same as those in the third embodiment.
＜第１の試練例＞
次に、第１の試験例について説明する。
本試験例においては、金属板端子３０の平面部分３３の高さ、すなわち、底板１１からの距離がゲル材４０の歪みに及ぼす影響を調べた。
<First trial example>
Next, a first test example will be described.
In this test example, the effect of the height of the flat portion 33 of the metal plate terminal 30, that is, the distance from the bottom plate 11 on the strain of the gel material 40 was investigated.
図１３（ａ）は本試験例において想定したパワーモジュールを示す斜視図であり、（ｂ）はゲル材の解析モデルを示す図であり、（ｃ）はゲル材の歪み分布を示す図である。図１３（ｃ）が示す部分は、（ｂ）のＡ−Ａ’断面に相当する。
図１４は、横軸に金属板端子３０の平面部分３３の高さｈをとり、縦軸にゲル材の歪みの最大値をとって、平面部分３３の高さがゲル材４０の歪み量に及ぼす影響を示すグラフである。
FIG. 13A is a perspective view showing a power module assumed in this test example, FIG. 13B is a diagram showing an analysis model of a gel material, and FIG. 13C is a diagram showing a strain distribution of the gel material. .. The portion shown in FIG. 13C corresponds to the AA'cross section of FIG. 13B.
In FIG. 14, the height h of the flat portion 33 of the metal plate terminal 30 is taken on the horizontal axis, the maximum value of the strain of the gel material is taken on the vertical axis, and the height of the flat portion 33 is the amount of strain of the gel material 40. It is a graph which shows the influence.
図１３（ａ）に示すように、本試験例において想定したパワーモジュールの構成は、図４（ａ）に示す比較例に係るパワーモジュール１０１の構成と同じであり、第１の実施形態に係るパワーモジュール１から、金属板端子３０の平面部分３６及び３７を除いたものである。 As shown in FIG. 13A, the configuration of the power module assumed in this test example is the same as the configuration of the power module 101 according to the comparative example shown in FIG. 4A, and relates to the first embodiment. The flat portions 36 and 37 of the metal plate terminal 30 are removed from the power module 1.
図１３（ａ）に示すパワーモジュール１０１において、図１３（ｂ）に示すように、ゲル材４０が熱膨張したときに、ゲル材４０の各部に発生する歪みをシミュレートした。その結果、図１３（ｃ）に示すように、ゲル材４０の歪みは平面部分３３の端部近傍で最大となった。 In the power module 101 shown in FIG. 13A, as shown in FIG. 13B, the strain generated in each part of the gel material 40 when the gel material 40 thermally expands was simulated. As a result, as shown in FIG. 13C, the strain of the gel material 40 became maximum near the end of the flat surface portion 33.
このようなシミュレーションを、平面部分３３の高さを異ならせて複数回実施した。図１４に示すように、平面部分３３の高さが低いほど、歪み量の最大値は小さくなった。このため、第１の実施形態のように、金属板端子３０に平面部分３６及び３７を設け、平面部分３６の端部３６ａ及び平面部分３７の端部３７ａの位置を低くすることにより、ゲル材４０の歪み量が低減することが確認できた。ゲル材４０の歪み量が低減することにより、ゲル材４０に亀裂が生じる可能性は減少すると考えられる。 Such a simulation was carried out a plurality of times with different heights of the flat surface portions 33. As shown in FIG. 14, the lower the height of the flat surface portion 33, the smaller the maximum value of the strain amount. Therefore, as in the first embodiment, the metal plate terminal 30 is provided with the flat surface portions 36 and 37, and the positions of the end portion 36a of the flat surface portion 36 and the end portion 37a of the flat surface portion 37 are lowered to lower the gel material. It was confirmed that the amount of distortion of 40 was reduced. It is considered that the possibility of cracks in the gel material 40 is reduced by reducing the amount of strain in the gel material 40.
＜第２の試験例＞
次に、第２の試験例について説明する。
本試験例においては、第３及び第４の実施形態における仕切板の存在が、ゲル材の歪みに及ぼす影響を調べた。
<Second test example>
Next, a second test example will be described.
In this test example, the influence of the presence of the partition plate in the third and fourth embodiments on the strain of the gel material was investigated.
図１５（ａ）は仕切板が設けられていない場合のゲル材の解析モデルを示す図であり、（ｂ）は仕切板が設けられている場合のゲル材の解析モデルを示す図であり、（ｃ）は横軸に仕切板の有無をとり、縦軸にゲル材の歪み量の最大値をとって、仕切板の有無がゲル材の歪み量に及ぼす影響を示すグラフである。
図１５（ａ）に示すモデルは、上述の比較例に係るパワーモジュール１０１を想定している。図１５（ｂ）に示すモデルは、上述の第３の実施形態に係るパワーモジュール３及び第４の実施形態に係るパワーモジュール４を想定している。
FIG. 15A is a diagram showing an analysis model of the gel material when the partition plate is not provided, and FIG. 15B is a diagram showing an analysis model of the gel material when the partition plate is provided. (C) is a graph showing the effect of the presence or absence of the partition plate on the strain amount of the gel material, with the presence or absence of the partition plate on the horizontal axis and the maximum value of the strain amount of the gel material on the vertical axis.
The model shown in FIG. 15A assumes the power module 101 according to the above-mentioned comparative example. The model shown in FIG. 15B assumes the power module 3 according to the third embodiment and the power module 4 according to the fourth embodiment described above.
図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、仕切板が設けられていない場合と設けられている場合について、ゲル材４０が熱膨張したときにゲル材４０に発生する歪みの分布をシミュレートした。この結果、図１５（ｃ）に示すように、仕切板が設けられている場合は、仕切板が設けられていない場合と比較して、ゲル材４０の歪み量の最大値が低かった。このため、第３の実施形態に係るパワーモジュール３及び第４の実施形態に係るパワーモジュール４は、比較例に係るパワーモジュール１０１と比較して、ゲル材４０の歪み量が少なく、ゲル材４０に亀裂が生じる可能性が低いと考えられる。 As shown in FIGS. 15A and 15B, the distribution of strain generated in the gel material 40 when the gel material 40 is thermally expanded is simulated in the case where the partition plate is not provided and in the case where the partition plate is provided. To. As a result, as shown in FIG. 15C, the maximum value of the strain amount of the gel material 40 was lower when the partition plate was provided, as compared with the case where the partition plate was not provided. Therefore, the power module 3 according to the third embodiment and the power module 4 according to the fourth embodiment have a smaller amount of distortion of the gel material 40 as compared with the power module 101 according to the comparative example, and the gel material 40 It is considered unlikely that a crack will occur in the module.
以上説明した実施形態によれば、信頼性が高いパワーモジュールを実現することができる。 According to the embodiment described above, a highly reliable power module can be realized.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims.
１、２、３、４：パワーモジュール
１０：筐体
１１：底板
１２：側板
１３：天板
１４：外部端子
１５：貫通孔
１６：ボルト
２０：基板
２１：半導体素子
２２：電極
２３：ワイヤ
３０：金属板端子
３１〜３７：平面部分
３３ａ、３６ａ、３７ａ：端部
４０：ゲル材
４０ａ、４０ｂ：部分
４１：空気層
５１：低剛性板
５１ａ：端部
６１：仕切板
６２：水平部分
６３、６４：垂直部分
６５：空間
６６：仕切板
６７、６８、６９：垂直部分
１０１：パワーモジュール
1, 2, 3, 4: Power module 10: Housing 11: Bottom plate 12: Side plate 13: Top plate 14: External terminal 15: Through hole 16: Bolt 20: Substrate 21: Semiconductor element 22: Electrode 23: Wire 30: Metal plate terminals 31-37: Flat parts 33a, 36a, 37a: Ends 40: Gel material 40a, 40b: Part 41: Air layer 51: Low rigidity plate 51a: Ends 61: Partition plate 62: Horizontal parts 63, 64 : Vertical part 65: Space 66: Partition plate 67, 68, 69: Vertical part 101: Power module
Claims (7)
前記筐体内に設けられた基板と、
前記基板に搭載された半導体素子と、
前記半導体素子に接続されたワイヤと、
前記筐体内に設けられ、前記外部端子を前記半導体素子の電極に接続する金属板端子と、
前記筐体内に設けられ、前記金属板端子の一部、前記基板、前記半導体素子及び前記ワイヤを覆うゲル材と、
を備え、
前記金属板端子は、
前記ワイヤと前記筐体の天板との間であって、前記ゲル材の内部に配置された第１部分と、
前記第１部分に対して屈曲し、前記半導体素子の前記電極に接続された第２部分と、
前記第１部分の端部から前記基板に向かって延出した第３部分と、
を有したパワーモジュール。 A housing with an external terminal exposed on the outer surface,
The substrate provided in the housing and
The semiconductor element mounted on the substrate and
The wire connected to the semiconductor element and
A metal plate terminal provided in the housing and connecting the external terminal to the electrode of the semiconductor element, and
A gel material provided in the housing and covering a part of the metal plate terminal, the substrate, the semiconductor element, and the wire.
With
The metal plate terminal is
A first portion between the wire and the top plate of the housing, which is arranged inside the gel material,
A second portion that is bent with respect to the first portion and connected to the electrode of the semiconductor element, and
A third portion extending from the end of the first portion toward the substrate,
Power module with.
前記筐体内に設けられた基板と、
前記基板に搭載された半導体素子と、
前記半導体素子に接続されたワイヤと、
前記筐体内に設けられ、前記外部端子を前記半導体素子の電極に接続する金属板端子と、
低剛性板と、
前記筐体内に設けられ、前記金属板端子の一部、前記低剛性板、前記基板、前記半導体素子及び前記ワイヤを覆うゲル材と、
を備え、
前記金属板端子は、
前記ワイヤと前記筐体の天板との間であって、前記ゲル材の内部に配置された第１部分と、
前記第１部分に対して屈曲し、前記半導体素子の電極に接続された第２部分と、
を有し、
前記低剛性板の剛性は前記第１部分の剛性よりも低く、前記低剛性板は前記第１部分に貼り合わされ、前記低剛性板の端部が前記第１部分の端部からはみ出したパワーモジュール。 A housing with an external terminal exposed on the outer surface,
The substrate provided in the housing and
The semiconductor element mounted on the substrate and
The wire connected to the semiconductor element and
A metal plate terminal provided in the housing and connecting the external terminal to the electrode of the semiconductor element, and
Low rigidity plate and
A gel material provided in the housing and covering a part of the metal plate terminal, the low-rigidity plate, the substrate, the semiconductor element, and the wire.
With
The metal plate terminal is
A first portion between the wire and the top plate of the housing, which is arranged inside the gel material,
A second portion that is bent with respect to the first portion and connected to the electrode of the semiconductor element, and
Have,
The rigidity of the low-rigidity plate is lower than the rigidity of the first portion, the low-rigidity plate is bonded to the first portion, and the end portion of the low-rigidity plate protrudes from the end portion of the first portion. ..
前記筐体内に設けられた基板と、
前記基板に搭載された半導体素子と、
前記半導体素子に接続されたワイヤと、
前記筐体内に設けられ、前記外部端子を前記半導体素子の電極に接続する金属板端子と、
前記筐体内に設けられた仕切板と、
前記筐体内に設けられ、前記金属板端子の一部、前記仕切板、前記基板、前記半導体素子及び前記ワイヤを覆うゲル材と、
を備え、
前記金属板端子は、
前記ワイヤと前記筐体の天板との間であって、前記ゲル材の内部に配置された第１部分と、
前記第１部分に対して屈曲し、前記半導体素子の電極に接続された第２部分と、
を有し、
前記筐体の一部、前記金属板端子及び前記仕切板により、前記第１部分と前記基板との間の空間が周囲から区画されたパワーモジュール。 A housing with an external terminal exposed on the outer surface,
The substrate provided in the housing and
The semiconductor element mounted on the substrate and
The wire connected to the semiconductor element and
A metal plate terminal provided in the housing and connecting the external terminal to the electrode of the semiconductor element, and
The partition plate provided in the housing and
A gel material provided in the housing and covering a part of the metal plate terminal, the partition plate, the substrate, the semiconductor element, and the wire.
With
The metal plate terminal is
A first portion between the wire and the top plate of the housing, which is arranged inside the gel material,
A second portion that is bent with respect to the first portion and connected to the electrode of the semiconductor element, and
Have,
A power module in which a space between the first portion and the substrate is partitioned from the surroundings by a part of the housing, the metal plate terminal, and the partition plate.
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